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中国滤波器技术永远差一点 材料是绕不过去的坎

2018年05月24日 07:18 次阅读

手机的射频器件,好比部队的无线电兵,通信全靠它。

中国是世界最大的手机生产国,但造不了高端的手机射频器件。这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。

高端射频芯片缺少国货

一块手机的主板上,1/3的空间是射频电路。

声音要传到千里之外,得先转化成高频的射电波。信息编码成一秒钟几十亿波峰的正弦电波,对方手机接收和还原,纹丝不乱。这就是射频器件的本事。射频器件的核心部件是功率放大器芯片,也叫射频芯片,4G手机一般会用4到5颗。

“我们好比是修高速公路的,路修得越宽、越平直,车跑得越多、越快。”专业设计射频芯片的Vanchip公司工程师王利明说。

“手机发展趋势是更轻薄,功耗更小,频段更多,带宽更大,这就向射频芯片提出了挑战。”王利明说,“射频芯片将数字信号转化成电磁波,4G手机要支持十几个频段,信息带宽几十兆。信号不能受干扰,这很难。”

2018年,射频芯片市场150亿美元;高端市场基本没有国货,被Skyworks、Qorvo博通3家垄断,高通也占一席之地。

“多年以来,这几家的产品已经很有口碑,性能很稳定。所以大手机公司比如苹果、华为三星等等,基本都用它们的。”王利明说。

国货的买家多为小品牌手机,且国货多为2G、3G芯片;4G射频芯片基本都是洋货。

射频芯片的电路设计是玄妙的艺术

高频电波的信号很脆弱,在复杂的电磁环境里,保持信号的清晰稳定,有赖于各环节的抗干扰性。设计这种电路,是一门尚未完全找到规律的艺术。

比如说,有瑕疵的射频芯片像扩音喇叭一样,会发出尖利的无用信号。排查故障是非常麻烦的。

射频电路怕噪声干扰,但引入噪声的可能性太多了——电源、邻近电路、耦合、发热、自身元件……

不合理的建模,生产出来的电路,一个和另一个的效果天差地别。

而从图纸变为实际电路,更需要设计师的丰富经验。何种布局,如何抵消各元件的不良影响,兼容不理想的元件,设计师都要有办法。引入新元件,小了不起作用,大了又产生新的干扰。元件用多了,功耗又会增大……

设计师在考虑“要不要给反馈环串联一个小电阻来缓冲?”“是否改一下地线引脚以屏蔽噪声?”这类问题时,往往没有现成答案,靠经验和试错。试探着稳定电路,好像把鸡蛋立在鸭蛋上,常凭感觉。

射频芯片属于模拟电路,跟处理“1”和“0”的数字电路不同。数字电路设计类似于编程,有成熟的模块和自动化工具;而设计模拟电路,要面对的是复杂未知的自然世界。

电子创新网创始人张国斌说:“数字电路领域更多需要市场反应速度,国内有不少做得好的公司,但设计和生产射频器件,需要各种基础科学知识,经验积累和制造是关键,‘弯道超车’几乎不可能。”

小小滤波器,中国造不好

射频器件的另一个关键元件——滤波器,国内外差距更大。手机使用的高端滤波器,几十亿美元的市场,完全归属Qorvo等国外射频器件巨头。

中国滤波器技术永远差一点 材料是绕不过去的坎

滤波器可去除目标频段以外的信号,是很基础的电路器件。4G手机用的是更精准和昂贵的滤波器,一台手机要装10来个。这种高端滤波器基于压电效应原理,引入声波来工作;它的基底和涂层采用一些新材料(其中一些用在最好的军用雷达上),加工精度要很高,涉及到薄膜沉积和微机械工艺。

滤波器频段边缘越“陡峭”,越能避免邻近频段的信号干扰。“比如带通滤波器就像一扇门,高端产品的门框可以很好,将杂乱信号滤得很干净。”张国斌说,“在性能指标上如中心频率、截止频率、线性度、灵敏度等方面我们比别人落后,一时还赶不上去。”

基础元器件的差距不止这一个。张国斌举了个例子:射频电路都有振荡器,它需要一个高精度晶体振荡器,高频信号需要倍频信号,若晶体振荡器的频率精度不够,则多次倍增后信号就会差到不能用。而最精准的晶体振荡器,多数产自海外。

材料是绕不过去的坎

所有的高端元件,都与高性能材料有关。

张国斌说,射频电路需要高电子迁移率,这方面砷化镓和硅锗等化合物半导体表现要比硅材料好很多。虽然我们国家在上世纪60年代就开始了化合物半导体基础材料研发,但商业化上材料的一致性、电性能均匀性还不理想,这方面有很多核心知识需要自己去摸索,是我们的短板。

“比如半导体材料的掺杂比例不同,性能差别很大。就好像做蛋糕放鸡蛋,鸡蛋的比例决定蛋糕松软程度。该放多少?别人不告诉你。你也不可能凭着撞大运就成功。”

张国斌说,半导体材料的实验,周期很长,不是一两年就能做出成绩。“我国在这方面有不少学校在研究,做得也不错,但有些材料量产化还不行。”

另外,高端射频器件使用新材料,也需要设计者熟悉相应的特殊工艺和封装。没有创新的工艺,即使采用新材料,良品率也会差得多。

因此,国内的射频芯片设计公司都是找代工厂。而国外几家巨头都有自己的晶圆厂,不会把看家的秘密拿到别人的工厂。

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为了提高线性度,滤波器用吸收式还是反射式

如何使用滤波器归一化表格来设计滤波器?

发表于 2018-03-05 14:36 302次阅读
如何使用滤波器归一化表格来设计滤波器?

求关于有源滤波器/模拟滤波器设计的电子书(中文)

发表于 2018-03-02 11:36 995次阅读
求关于有源滤波器/模拟滤波器设计的电子书(中文)

输入和输出滤波器有什么区别

输出滤波器安装于变频器的电力输出线与电机之间,不但能有效滤除变频器输出电流中的高次谐波,减小由高频谐...

发表于 2018-03-01 09:11 317次阅读
输入和输出滤波器有什么区别

带通滤波器自激怎么消除?

发表于 2018-02-28 11:00 533次阅读
带通滤波器自激怎么消除?

Labview数字滤波器或自适应滤波请教~

发表于 2018-02-27 14:19 812次阅读
Labview数字滤波器或自适应滤波请教~

SAW,BAW Filter与无线通信滤波器趋势

很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化可以让系统更加轻便和有效,另一方面,日益发...

发表于 2018-02-26 17:42 400次阅读
SAW,BAW Filter与无线通信滤波器趋势

FIR滤波器相关解释

发表于 2018-02-26 09:48 308次阅读
FIR滤波器相关解释

一个基于FPGA的FIR滤波器的问题

发表于 2018-02-25 19:25 525次阅读
一个基于FPGA的FIR滤波器的问题

基于Ka波段的滤波器_混频器_天线设计等设计汇总

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分,Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方...

发表于 2018-02-20 18:20 214次阅读
基于Ka波段的滤波器_混频器_天线设计等设计汇总

抗电源电磁干扰的EMI滤波器设计原理、结构及使用...

随着现代科学技术的飞速发展,电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛,它们在运行中产生的高密度、宽频谱...

发表于 2018-02-16 12:07 604次阅读
抗电源电磁干扰的EMI滤波器设计原理、结构及使用...

网络滤波器的作用

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是...

发表于 2018-02-12 16:24 391次阅读
网络滤波器的作用

滤波器一些问题的补充

关于滤波器的技术指标,包含裕度、截止频率、带内波动、带内驻波比、带内相位线性度,巴特沃兹、切比雪夫、...

发表于 2018-02-11 13:36 321次阅读
滤波器一些问题的补充

高衰减低失真音频线噪音滤波器

具有60dB增益的带通有源滤波器电路图

发表于 2018-02-11 11:54 218次阅读
高衰减低失真音频线噪音滤波器

模拟信号路径在便携医疗设备中的技术探讨

速度、噪声和功耗对于某些设计来说可能同样重要,一个低噪声器件会消耗比较多的电流,而一个低功耗的器件则...

发表于 2018-02-10 02:03 592次阅读
模拟信号路径在便携医疗设备中的技术探讨

同轴滤波器详解

同轴滤波器同轴滤波器包括梳状腔体滤器交指腔体滤波器、小体积阶跃带通滤波器和同轴低通滤波器等,该系列滤...

发表于 2018-02-08 19:37 308次阅读
同轴滤波器详解

LC带通滤波器的应用设计

要设计一个滤波器,首先要分析滤波器的技术指标,选择合适的滤波器形式,确定滤波器的级数,分析滤波器的带...

发表于 2018-02-08 19:30 562次阅读
LC带通滤波器的应用设计

详解LPC2000系列ARM微控制器的CAN验收...

 LPC2000 系列ARM微控制器是采用ARM7TDMI-S内核的32位嵌入式微处理器,内嵌2路或...

发表于 2018-02-08 19:24 263次阅读
详解LPC2000系列ARM微控制器的CAN验收...

图解卡尔曼滤波器

 卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼(Kalman)提出的用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交...

发表于 2018-02-07 18:06 361次阅读
图解卡尔曼滤波器

详谈一阶RC低通滤波器如何过滤高频噪声

关于一阶滤波器的种种有很多资料可查,像截止频率啊,相移啊什么的,这些在这里就不再重复了。本文主要阐述...

发表于 2018-02-07 17:58 605次阅读
详谈一阶RC低通滤波器如何过滤高频噪声

多种开关电源输出滤波器技术逐步骤的设计过程解析

实践证明,在很多应用中,经过适当滤波的开关转换器可以代替线性稳压器从而产生低噪声电源。哪怕在要求极低...

发表于 2018-02-07 01:01 565次阅读
多种开关电源输出滤波器技术逐步骤的设计过程解析

超宽带EMI滤波器的设计思路

文章介绍超宽带EMI滤波器的设计思路,该滤波器的滤波频率可以达到40GHz甚至更高,在频率低端采用L...

发表于 2018-02-06 18:33 336次阅读
超宽带EMI滤波器的设计思路

用Multisim分析二阶低通滤波器电路

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的电...

发表于 2018-02-06 18:28 588次阅读
用Multisim分析二阶低通滤波器电路

详解MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW...

声表面波滤波器(SAWF)是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电石英晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传...

发表于 2018-02-06 08:57 2452次阅读
详解MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW...

设计滤波器堵住开关电源噪声的方法

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点...

发表于 2018-02-05 19:25 396次阅读
设计滤波器堵住开关电源噪声的方法

滤波器的阶数与衰减陡度

在进行滤波器的设计之前,首先需要理解的是滤波器的频率响应的问题。图1.6简单示出各种5阶低通滤波器的...

发表于 2018-02-05 19:23 243次阅读
滤波器的阶数与衰减陡度

如何解决为滤波器选择正确的放大器的困扰

器件选择对电路设计来说至关重要。在最终开始生产前,通过仿真和原型制作验证器件选择是否正确极为重要。

发表于 2018-02-05 19:21 401次阅读
如何解决为滤波器选择正确的放大器的困扰